编者按：

随着机器人技术的不断发展，其在生物医学中的应用越来越广泛。胶囊微型机器人，是一种能够进入人体胃肠道进行医学探查和治疗的智能化微型工具，是体内介入检查与治疗医学技术的新突破。

那么，近期机器人技术在胃肠道学中都有哪些新突破呢？除了用于结肠镜检查，这种技术是否可以用于微生物组研究，比如帮助研究人员收集胃肠道不同位置的肠道菌群？

今天，我们特别关注胶囊微型机器人技术的进展，一起来看看这些令人惊奇的设备。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些帮助和启发。

图像诊断革命

任何一个评比以色列最伟大发明的榜单上都会出现 PillCam。

PillCam 是一款像维生素药丸一样可以被吞下的摄像机，它会穿过胃肠道，在离开身体的途中向医生发送清晰的图像。

这种药丸照相内窥镜设备是由以色列光电工程师和他的邻居肠胃病医师共同发明的，它标志着世界范围内的诊断革命。2001 年，这款胶囊内窥镜获得了 FDA 的批准并投入使用。

2013 年，爱尔兰公司 Covidien 收购了拥有 PillCam 技术的以色列公司 Given Imaging。之后，这家爱尔兰公司 Covidien 公司被美国 Medtronic 收购。自此以后，由 Medtronic 的微创疗法部门对 PillCam 进行迭代更新。

现在，PillCam 胶囊内窥镜平台能够帮助医生检测胃肠道异常、监测疾病（例如克罗恩病）以及评估食道、胃、小肠和结肠等部位的治疗效果。

对消化系统进行无创成像是挽救生命的医学进步。

仅在美国，到 2020 年，估计将有 147,950 例大肠癌新病例和 27,600 例胃癌新病例。虽然医生会鼓励每一位 50 岁以上的中年人进行结肠镜检查以筛查癌症，但是仍有大约三分之一的人决定不进行这种侵入性手术，而无创性的检查方法为人们提供了友好的新选择。

在 PillCam 无创成像技术不断发展的同时，其他医学发明家也在积极发明其他从消化道内部提供图像的新方法。

图. PillCam

Check-Cap公司：C-Scan

Check-Cap 公司的 C-Scan 系统旨在成为有史以来第一个无需肠胃药即可检测结肠息肉的可摄入设备。

这是有可能的，因为 C-Scan 胶囊不像 PillCam 那样使用视频成像，而是利用低剂量的X射线，这就意味着无需“干净”的结肠。

患者每次只需要在用餐时吞服胶囊设备以及一汤匙造影剂和纤维补充剂即可。然后，在后续的 2~3 天内，该系统就会自主收集胃肠道中的数据。在此期间，患者可以继续正常的日常活动。

该系统还具有集成定位，控制和记录系统以及可生成结肠内壁 3D 图像的专有软件。

通过这种设备，大部分人可以免于侵入性手术。因为，只有在该系统发现息肉的情况下（发生的概率大约为 25%），患者才需要进行具有侵入性的结肠镜检查。

目前，C-Scan 已经在欧洲和以色列获得批准，不过 Check-Cap 公司仍在进行更多的临床研究来优化系统，旨在通过明年在美国进行的一项关键性研究，以获得 FDA 的批准。而美国，正是 Check-Cap 公司瞄准的第一个市场。

去年 12 月，该公司宣布了在纽约大学（NYU）格罗斯曼医学院和明尼苏达州梅奥诊所进行的试点研究的结果。

NYU 研究的主要研究人员 Seth A.Gross 博士说：“无论是安全性还是患者对手术的依从性的结果都很不错。我们对 C-Scan 系统的潜力感到兴奋，它提供了一种对患者友好的筛查选择，可以在息肉恶变为癌症之前对其进行检测筛查。”

梅奥诊所研究的首席研究员 Elizabeth Rajan 博士说：“无制剂的大肠癌筛查选择对患者具有吸引力，并且可能可以提高筛查率。初步研究的结果令人鼓舞。”

Check-Cap 公司的首席执行官 AlexOvadia 表示，该公司正在积极进行这项关键性研究，同时也在与合作伙伴 GE Healthcare 公司为制造基础设施作准备，并且将继续探索与其他行业领导者进行战略合作的可能。

图. C-Scan 图片来源：Check-Cap 公司官网

SAW

尽管胶囊内窥镜在医学上已经是一项重大进步了，但是这种设备仍然具有一定的限制：医生无法控制药丸相机的方向和它所拍摄的照片。

为此，本古里安大学生物与医学机器人实验室的 David Zarrouk 教授发明了一款名叫 SAW（single actuator wave-like）的微型机器人来改善胶囊内窥镜检查。

利用Zarrouk实验室发明的专有单马达推进系统（single-motor propulsionsystem），SAW 可允许医生控制微型摄像机的移动和位置，从而提高准确性。

Zarrouk 说：“您可以在需要进行深入检查的地方停下来，拍摄更多照片，然后再继续后续的检查。”

“不仅如此，如果你还可以停止机器，使用超声波或其他技术进行检查，以确切地知道息肉在肠中的位置。而使用常规的 PillCam，很难知道问题点的确切位置。”Zarrouk 补充道。

目前，SAW 仍在开发之中。

Zarrouk 解释道：“我们已经将它缩小了，但是还没有小到能够吞服的程度，这主要是因为其中的电动机还不够小。我们不认为能够开发出更小的电动机，因此，我们希望可以通过其他的方法来缩小电动机，比如将电动机设计得更长或更窄以便可以吞咽。”

Zarrouk 的实验室还在尝试通过将两个机器人连接起来以改善微型机器人的牵引力和运动能力。他补充说，使用猪肠道的研究的初步结果看起来很有希望。

图. David Zarrouk（左）和他的学生

TipCAT和ViRob

以色列的 Microbot Medical 公司发明了两种临床前机器人解决方案——TipCAT 和 ViRob，可用于可视化管状人体结构的内部。

这两种产品均来自该公司联合创始人兼科学总监 Moshe Shoham 的实验室。

Shoham 是医疗机器人技术的全球权威，创立了用于外科手术的 Mazor Robotics 技术，并以 16 亿美元的价格出售给了 Medtronic 公司。

ViRob 是一款可以自主爬行的微型机器人，旨在远程控制体内的行动。它的微型尺寸使其可以在医生的监督下，长时间在消化道、血管或呼吸系统的狭窄空间和弯曲通道中爬行。而且，这一设备还可以携带微型相机、分流器或药物。

TipCAT 是一种自推式、柔性、半一次性内窥镜，可以在诸如结肠、血管和泌尿道等管状人体通道内提供“查看和治疗”功能。它的运动原理是利用人体器官本身来进行快速但柔软的前进。

这款临床前机器人目前正在积极获取监管批准，并在全球范围内申请专利。

图. ViRob 机器人

收集肠道细菌的胶囊

肠道菌群已经被发现与许多疾病相关，但是科学家们往往只知道这些微生物来自人的胃肠道，而不清楚它们的具体出处。随着肠道菌群研究的不断推进，微生物学家们也希望能够出现一些类似于结肠镜检查的设备来帮助他们收集肠道中的微生物。

最近，来自美国普渡大学的研究人员开发出了一种新的可吞咽工具，用于采集肠道细菌样本。

“这种新设备能够在肠内任何地方采集细菌样本，在以前这是不可能的。”普渡大学材料工程助理教授 Rahim Rahimi 说。

该工具是一种类似药物的胶囊，不需要电池就可以被动地穿过肠胃。

“虽然结肠镜检查或者结肠镜检查药丸可以看到肠道内部的情况，但是却无法在胃肠道中进行采样。你可以从一个人的粪便中采集菌群，但是在整个胃肠道的不同部位细菌可能变化很大。我们的方法与现有方法是互补的。”Rahimi 说。

他估计，这种细菌采样胶囊价格将会很便宜——每个细菌采样胶囊大约只需花费 1 美元。

Rahimi 的小组正在猪中使用这种胶囊，因为猪的胃肠道与人类的胃肠道相似。该设备的原型展示发布在 RSC Advances 杂志上。

研究人员采用了 3D 技术打印这种胶囊，所用的材料与牙模和植入物材料相同，也就是树脂。不过，Rahimi 说，尽管这种材料无毒，但是仍需要稍作修改，以更好地供人类摄取。

研究人员已经在模拟胃肠道肠道菌群的培养液中测试了原型胶囊。他们还测试了胶囊在不同的极端环境下采集细菌的能力。到目前为止，他们的实验表明，该胶囊可以在一小时内成功采集肠道中常见的细菌，例如大肠杆菌。

在人体中，胶囊将与粪便一起在整个胃肠道中移动。然后，科学家可以从研究参与者的粪便中回收胶囊，拧开胶囊，然后研究收集到的细菌。

“这种方法为研究肠道不同部位存在哪些细菌提供了新机会。这将帮助我们弄清楚如何操纵这些细菌来抵抗疾病。”Rahimi 说。

目前，Rahimi 已经为这项技术申请了专利。

随着各种各样的胶囊微型机器人的不断问世，相信这些新技术不仅将造福胃肠病患者，而且还会进一步推动医疗器械行业和科学研究的发展。

参考资料：

1.https://www.israel21c.org/the-israeli-robots-inside-your-belly/

2.https://www.futurity.org/tool-gut-bacteria-sample-2422142-2/

作者｜617